CN104467817A - 一种应用于自动频率控制系统(afc)的环路微调算法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种应用于自动频率控制系统（AFC）的环路微调算法，该算法利用AFC微调环路系统中电容变化量（△C）关于频率变化量（△f）的关系可以近似为一个线性系统进行实现。首先，通过第一数控振荡器频率（Fre_DCO1）和第二数控振荡器频率（Fre_DCO2）的有效容值和控制码权重，获得粗调后实际DCO频率（Fre_DCO3）发生频率变化△f与相应电容变化△C之间的特性曲线；其次，根据目标DCO频率和每次微调后的DCO频率（Fre_DCO4）之差，获得对应的微调门阵列电容控制码；最后，将实际DCO频率调制到目标DCO频率允许接受的误差范围内，实现环路锁定。本算法基于数字电路实现，具有锁定速度快，锁定精度高等特性。

Description

一种应用于自动频率控制系统(AFC)的环路微调算法

技术领域

本发明主要涉及时钟系统领域，特别涉及一种应用于自动频率控制系统的环路微调算法，该算法使得自动频率控制系统能够快速进行环路锁定，完成环路频率调谐。

背景技术

在移动通信系统中，为了实现对接收到的射频信号进行正确解调，接收机需要产生一个与射频信号载波一致的本地载波信号——本振信号。

作为接收机中的关键模块，自动频率控制系统主要提供一个精确的本振信号。由于各种非理想因素，自动频率控制系统提供的本振信号经常存在一定的频率偏差，其中多数非理想因素为工作环境温度、电路工作不对称、电源不稳定等。如果本振信号频率的精度不足且自动频率控制系统不能及时纠正，则输入信号解调性能可能会严重恶化。

自动频率控制系统用于纠正本振信号频率的漂移和偏差，使得本振信号频率能够稳定在目标频率的一定偏差范围内，保证接收到射频信号能够顺利进行解调。对于传统的自动频率控制系统，主要采用锁相环结构进行实现，环路锁定与环路带宽、电荷泵的充放电电流大小以及压控振荡器的频率敏感参数相关。由于电荷泵电流的失配、环路带宽设计的约束性，导致锁相环结构的自动频率控制系统跟踪频率抖动的能力较差，因此，当环路出现频率失锁或者频率偏差时，重新锁定的时间偏长，降低了接收机的性能。

为了解决上述技术问题，本发明提出了一种应用于自动频率控制系统的环路微调调谐算法。该环路调谐算法主要采用数字逻辑进行实现，避免了电荷泵电流失配、PFD等传统模拟因素的影响，使得在环路失锁时能够快速进行环路锁定，保证本振信号频率稳定在偏差范围内，使得接收机射频信号解调正常进行。

发明内容

本发明要解决的问题在于：针对现有技术存在的问题，本发明提一种供应用于自动频率控制系统的环路微调算法，该算法保证自动频率控制系统能够快速跟踪参考时钟，实现环路频率快速锁定，使得接收机射频信号解调正常进行。

为实现上述技术问题，本发明提出的解决方案为：一种应用于自动频率控制系统的环路微调算法，其主要包括如下步骤：

步骤一：设置第一组DCO门阵列电容权重W_1(W_1＝b_{0_1}*W₀+...+b_{m_1}*W_m+W_{fine_1})，产生第一个DCO振荡频率Fre_DCO1，即：

$\mathrm{Fre}\_\mathrm{DCO}1=\frac{1}{2\mathrm{\π}\sqrt{{\mathrm{LC}}_{\mathrm{eff}\_1}}}$

步骤二：设置第二组DCO门阵列电容权重W_2(W_2＝b_{0_2}*W₀+...+b_{m_2}*W_m+W_{fine_2})，产生第二个DCO振荡频率Fre_DCO2，即：

$\mathrm{Fre}\_\mathrm{DCO}2=\frac{1}{2\mathrm{\π}\sqrt{{\mathrm{LC}}_{\mathrm{eff}\_2}}}$

步骤三：获取环路粗调后数控振荡器频率Fre_DCO3；

步骤四：获取微调环路电容变化量(△C)关于频率变化量(△f)的特性曲线，即：

$\mathrm{\ΔC}=\frac{2(W\_2-W\_1)}{(\frac{1}{{\mathrm{Fre}\_\mathrm{DCO}2}^2}-\frac{1}{{\mathrm{Fre}\_\mathrm{DCO}1}^2})}\·\frac{C_{\mathrm{unit}}}{{\mathrm{Fre}\_\mathrm{DCO}}^3}\mathrm{\Δf}$

其中△f＝Fre_DCO3-Fre_DCO；

步骤五：设置目标DCO频率，通过微调环路电容变化量(△C)关于频率变化量(△f)的特性曲线，获得该目标频率对应的微调门阵列电容权重△W，最终获得微调门阵列电容的控制码，其中△W关于△f的表达式为：

$\begin{array}{c}\mathrm{\ΔW}=\frac{\mathrm{\ΔW}}{C_{\mathrm{unit}}}\\ =\frac{2(W\_2-W\_1)}{(\frac{1}{{\mathrm{Fre}\_\mathrm{DCO}}^2}-\frac{1}{{\mathrm{Fre}\_\mathrm{DCO}}^2})}\·\frac{1}{{\mathrm{Fre}\_\mathrm{DCO}}^3}\mathrm{\Δf}\end{array}$

步骤六：判断微调后的实际DCO频率与目标DCO频率的偏差是否在设计要求误差内，若偏差满足误差要求，则自动频率控制系统(AFC)环路微调锁定；否则，AFC系统将以当前本次微调后实际DCO频率作为Fre_DCO3，重新进行环路微调，直至频率偏差进入容许范围内，环路微调结束；若在系统设定的环路微调次数内，频率偏差未进入允许范围内，则环路微调失败。

附图说明

图1是本发明的自动频率控制系统结构示意图；

图2是本发明中第一个DCO频率的产生示意图；

图3是本发明中第二个DCO频率的产生示意图；

图4是本发明中涉及到的微调环路数控振荡器电容和权重的关系图；

图5是本发明自动频率控制系统的环路微调锁频算法实现示意图；

具体实施方式

以下将结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。

图1描述了一种自动频率控制系统的实现方案，它包括数控振荡器(DCO)、自动频率控制模块(AFC)以及可编程分频器；其中数控振荡器主要产生频率与控制码对应的时钟周期信号，并通过可编程分频器进行分频，分频后时钟信号、参考时钟信号以及射频频率同时作为输入信号提供给自动频率控制逻辑，自动频率控制逻辑产生相应的门阵列电容控制码进行DCO频率调谐，最终实现环路锁频。整个自动频率控制系统详细调谐步骤如下：

步骤一：如图2所示，设置第一组DCO门阵列电容权重W_1(W_1＝b_{0_1}*W₀+...+b_{m_1}*W_m+W_{fine_1})、可编程分频器的分频因子K以及参考时钟的周期个数N，通过自动频率控制逻辑在N个参考时钟周期内对可编程分频器输出时钟进行计数得到周期个数M1，可以计算出第一个DCO频率Fre_DCO1，即：

Fre_DCO1＝Fre_XTAL*M1/N*K

步骤二：如图3所示，设置第二组DCO门阵列电容权重W_2(W_2＝b_{0_2}*W₀+...+b_{m_2}*W_m+W_{fine_2})，可编程分频器分频因子与参考时钟周期个数均与步骤一相同，通过自动频率控制逻辑在N个参考时钟周期内对可编程分频器输出时钟进行计数得到周期个数M2，可以计算出第二个DCO频率Fre_DCO2，即：

Fre_DCO2＝Fre_XTAL*M2/N*K

步骤三：获取环路粗调后数控振荡器频率Fre_DCO3；

步骤四：获取微调环路电容变化量(△C)关于频率变化量(△f)的特性曲线，即：

$\mathrm{\ΔC}=\frac{2(W\_2-W\_1)}{(\frac{1}{{\mathrm{Fre}\_\mathrm{DCO}2}^2}-\frac{1}{{\mathrm{Fre}\_\mathrm{DCO}1}^2})}\·\frac{C_{\mathrm{unit}}}{{\mathrm{Fre}\_\mathrm{DCO}}^3}\mathrm{\Δf}$

其中△f＝Fre_DCO3-Fre_DCO；

步骤五：设置目标射频频率，并确定与之对应的可编程分频器分频因子、DCO频率Fre_DCO；

步骤六：基于目标DCO频率，通过微调环路电容变化量(△C)关于频率变化量(△f)的特性曲线，获得该目标频率对应的微调门阵列电容权重△W，最终获得微调门阵列电容的控制码，其中△W关于△f的表达式为：

$\begin{array}{c}\mathrm{\ΔW}=\frac{\mathrm{\ΔW}}{C_{\mathrm{unit}}}\\ =\frac{2(W\_2-W\_1)}{(\frac{1}{{\mathrm{Fre}\_\mathrm{DCO}}^2}-\frac{1}{{\mathrm{Fre}\_\mathrm{DCO}}^2})}\·\frac{1}{{\mathrm{Fre}\_\mathrm{DCO}}^3}\mathrm{\Δf}\end{array}$

对于微调门阵列电容权重变化量△W，根据以下算法产生对应的门阵列电容控制码：

判断微调权重△W是否大于等于n*W_fine，若成立，则所有微调门阵列电容单元控制码为1；否则，微调权重△W除以W_fine取整获得J，将前J路微调门阵列电容控制码开启；

步骤七，根据步骤六产生的DCO微调门阵列电容控制码，调节DCO的振荡频率，使其产生与该控制码对应的DCO频率Fre_DCO3。

步骤七：判断微调后的实际DCO频率与目标DCO频率的偏差是否在设计要求误差内，若偏差满足误差要求，则自动频率控制系统(AFC)环路微调锁定；否则，AFC系统将以当前本次微调后实际DCO频率作为Fre_DCO3，重新进行环路微调，直至频率偏差进入容许范围内，环路微调结束；若在系统设定的环路微调次数内，频率偏差未进入允许范围内，则环路微调失败。

以上各模块的示意图和实现是指具有该功能的所有实现方案。以上各图所示的电路仅为示例，将器件简单地替换所引起的电路变化亦属于本发明的保护范围，本发明的保护范围应以权力要求书为准。

Claims (4)

1.一种应用于自动频率控制系统的环路微调算法，其特征是：数控振荡器（DCO）门阵列电容控制码和对应有效容值一一对应，即：

                                                 

 

 

其中C₀~ C_m为粗调门阵列电容单元的容值， b₀~b_m为粗调门阵列电容控制码，C_fine为微调门阵列电容单元的容值，a0~an为n个微调门阵列电容单元的容值，b_m和an取值均为0或1，C_K为数控振荡器固有电容；

数控振荡器门阵列电容每个电容容值与单位电容容值C_unit比例为其对应的权重，即：

 W_fine=C_fine/C_unit

W₀=C₀/C_unit

W₁=C₁/C_unit

.......

W_m=C_m/C_unit

数控振荡器（DCO）频率和微调门阵列电容的有效容值一一对应，即：

 

其中L为数控振荡器的LC谐振腔中的有效电感值，Fre_DCO为数控振荡器的振荡频率。

2.如权利要求1所述的环路微调算法，其特征在于：包括如下步骤：  

步骤一：设置第一组DCO门阵列电容权重W_1(W_1=b_{0_1}*W₀+...+ b_{m_1}*W_m+W_{fine_1})，产生第一个DCO振荡频率Fre_DCO1，即：

 

步骤二：设置第二组DCO门阵列电容权重W_2(W_2=b_{0_2}*W₀+...+ b_{m_2}*W_m+W_{fine_2})，产生第二个DCO振荡频率Fre_DCO2，即：

 

步骤三：获取环路粗调后数控振荡器频率Fre_DCO3；

步骤四：获取微调环路电容变化量（△C）关于频率变化量（△f）的特性曲线，即：

 

其中△f=Fre_DCO3-Fre_DCO；

步骤五：设置目标DCO频率，通过微调环路电容变化量（△C）关于频率变化量（△f）的特性曲线，获得该目标频率对应的微调门阵列电容控制码权重△W，最终获得微调门阵列电容的控制码，其中△W关于△f的表达式为：

 

步骤六：判断微调后的实际DCO频率与目标DCO频率的偏差是否在设计要求误差内，若偏差满足误差要求，则自动频率控制系统（AFC）环路频率锁定；否则，AFC系统将以当前本次微调后实际DCO频率作为Fre_DCO3，重新进行环路微调，直至频率偏差进入容许范围内，环路微调结束；若在系统设定的环路微调次数内，频率偏差未进入允许范围内，则环路微调失败。

3.如权利要求1所述的环路微调算法，其特征在于：目标DCO振荡频率对应的控制码产生算法如下：

判断微调权重△W是否大于等于n*W_fine，若成立，则所有微调门阵列电容单元控制码为1；否则，微调权重△W除以W_fine取整获得J，将前J路微调门阵列电容控制码开启。

4.如权利要求1所述的环路微调算法，其特征在于：门阵列电容单元个数、环路粗调算法、环路微调调谐次数以及频率偏差可以根据实际系统需求进行设置。